一种搭载尾气净化功能的模块化氨裂解催化反应器

1.本发明属于氨裂解制氢领域，具体涉及一种搭载尾气净化功能的模块化氨裂解催化反应器。


背景技术：

2.近年来日益短缺的化石能源及其使用带来的环境污染问题使得人们迫切寻找一种新型的清洁能源。氢能凭借热值高、重量轻、零碳排放等优点受到关注，然而因氢气存在存储运输成本高、安全隐患等问题导致氢能推广应用时受到严重的限制。鉴于此，氨气作为优秀的氢能载体，凭借着成本低、易液化且在全球具有成熟的制备和储存运输工艺而日益受到青睐和重视。因此，氨裂解制氢技术开始引起国内外众多科研工作者的研究兴趣，尤以热催化氨裂解技术备受关注。目前，已经存在的专利中的热催化氨裂解制氢装置大多采用外部热源加热的方式来供能使反应器达到氨裂解所需要的初始温度；另一种方式是通过通入可燃气体如氢气发生催化燃烧反应供能，后续通过氨裂解产物氢气的催化燃烧提供能量实现循环，但是这种结构需要消耗一部分产物氢气来进行反应。值得注意的是，氨裂解制氢得到的产物气体中通常含有未反应氨气，这些残余氨气会对产物氢气后续应用带来影响，然而上述两种方式对于如何去除产物气体中未反应的氨气都没有提供完善的解决方案。除此之外，目前专利中存在的装置结构在更换催化剂时也较麻烦。因此，针对以上存在的问题，亟需开发设计出一种能够去除产物气体中的未反应氨气，同时采用其他供能方式以便能更高效率制氢的反应器。同时若能使氨裂解反应器有更高的集成度，反应器中催化单元模块化，则能够在更换催化剂时更简便快捷，同时对后续投入市场化很有帮助，有助于实现热催化氨裂解反应器的低成本产业化应用。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种搭载尾气净化功能的模块化氨裂解催化反应器，以解决现有反应器无法去除产物中残余氨气以及催化剂添加和更换流程较为复杂的问题。该反应器基于氨裂解催化制氢技术，通过引入“氨裂解催化单元”和“尾气净化单元”的概念，利用不锈钢外壳将各个可拆卸的模块集成起来，在实现催化氨裂解制氢的同时，能够提供一种更易于更换催化单元并可去除产物中残余氨气从而更易于实现量产的设计方案。
4.为实现以上发明目的，本发明提供了一种搭载尾气净化功能的模块化氨裂解催化反应器，包括：氨裂解催化单元、尾气净化单元、不锈钢外壳和外置可拆卸的加热单元以及进出气通道；上述不锈钢外壳由不锈钢反应腔体，以及与反应腔体两端紧密连接的不锈钢锥形盖组成，其中位于两端的锥形盖分别与进出气通道相连。
5.作为本发明的进一步改进，所述氨裂解催化单元包括内置于反应腔体的若干个独立的催化模块及其对应的固定衬垫；每个催化模块是由负载氨裂解催化剂的蜂窝状陶瓷柱构成，其中氨裂解催化剂是通过喷涂或沉积等方法负载于蜂窝状陶瓷柱上，所述催化剂为镍基氨裂解催化剂、钌基氨裂解催化剂或镍钌双金属基裂解催化剂。所述催化模块其特征
在于将传统的催化剂负载材料由粉体更换为具有特定规格的固定尺寸的蜂窝状陶瓷柱，通过增减陶瓷柱数量来实现催化模块中催化剂含量的调节；该催化模块的优势在于可以根据不同用氢需求来设计反应器容积和催化模块的数量，且相比于传统粉体催化剂更换更加方便，可以通过更换蜂窝状陶瓷柱的方式来实现对催化剂的更换。上述催化模块通过对应的固定衬垫固定于反应腔体内，并可以通过打开反应腔体两端紧密结合的不锈钢锥形盖来进行更换。
6.作为本发明的进一步改进，所述尾气净化单元同样内置于反应腔体，位于氨裂解催化单元下方，包括滤网和用于去除产物气体中残余氨气的沸石，其中沸石填充于滤网之间；所述滤网通过卡扣固定于反应腔体内部，滤网孔径小于沸石直径；经尾气净化单元处理后的产物气体通过与不锈钢锥形盖相连的出气通道流出。
7.作为本发明的进一步改进，所述外置可拆卸的加热单元包括：加热带及其配套的外接温度控制器和保温隔热层，其中，加热带单层缠绕在氨裂解催化单元对应的不锈钢外壳外表面，通过配套的外接温度控制器进行加热和控温，保温隔热层包裹在不锈钢外壳和加热带外层。
8.作为本发明的进一步改进，所述进出气通道均采用耐腐蚀和耐高温的316不锈钢制备，其中进气通道包括第一进气口和第二进气口，出气通道包括第一出气口和第二出气口；进一步地，第一进气口和氨气进气管路连接，用于向氨裂解催化反应器提供氨反应气体；第二进气口与氩气进气管路连接，用于在通入氨气反应前去除反应腔体内部的空气；第一出气口为产物气体出气口，第二出气口为预留的产物气体采样口，用于产物气体的分析测试。
9.本发明的技术优势在于：本发明基于氨裂解制氢技术，通过引入模块化氨裂解催化单元和尾气净化单元，提供了一种氨裂解催化反应器中催化剂快速便捷更换以及产物气体中残余氨气去除的解决方案。通过将催化剂负载到蜂窝陶瓷柱的方式来构建催化模块，之后更换或增减催化模块即可实现催化剂的便捷更换或用量调整，能够极大地提高催化剂的更换效率并减少催化剂的浪费；同时，采用尾气净化单元中填充的沸石可以来去除产物气体中未反应的残余氨气，从而避免产物气体由于存在未反应的氨气而造成无法驱动燃料电池的正常运转等问题。还有，本发明采用缠绕式加热带的方式为氨裂解催化反应器提供氨裂解催化反应的热量，这种加热方式既能满足氨裂解所需要的催化反应温度，又能使反应器结构制作得更为轻便和紧凑。此外，本发明在实现氨裂解制氢的同时，将氨裂解催化单元和尾气净化单元集成在一个小型反应器中，可以有效地解决目前氨裂解装置结构较复杂且占用空间大的问题，为氨裂解反应器的模块化设计及其产业化应用提供一种新的思路。
附图说明
10.图1是本发明提供的一种搭载尾气净化功能的模块化氨裂解催化反应器的结构示意图；
11.图中：1-第一进气口；2-保温隔热层；3-加热带；4-反应腔体；5-沸石；6-第一出气口；7-第二出气口；8-不锈钢锥形盖i；9-滤网；10-固定卡扣；11-蜂窝状陶瓷柱；12-衬垫；13-外接温度控制器；14-螺纹紧固件；15-不锈钢锥形盖ii；16-第二进气口。
具体实施方式
12.为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
13.在本专利的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
14.实施例1：
15.如图1展示了本发明的一种搭载尾气净化功能的模块化氨裂解催化反应器结构示意图，所述反应器主要包括：氨裂解催化单元、尾气净化单元、不锈钢外壳和外置可拆卸的加热单元以及进出气通道；上述不锈钢外壳由不锈钢反应腔体4，与反应腔体4两端紧密连接的不锈钢锥形盖i15和不锈钢锥形盖ii8、以及螺纹紧固件14组成，其中位于两端的锥形盖分别与进出气通道相连。所述不锈钢锥形盖i15包括：第一进气口1和第二进气口16，其中第一进气口1用于连接氨气进气管路，向氨裂解催化反应器提供氨反应气体，而第二进气口16用于连接氩气进气管路，在通入氨气反应前去除反应腔体内部的空气；不锈钢锥形盖ii8包括：第一出气口6、第二出气口7，其中第一出气口6为产物气体出气口，第二出气口7为预留的产物气体采样口，用于产物气体的分析测试。所述氨裂解催化单元包括若干个独立的催化模块蜂窝状陶瓷柱11及其对应的固定衬垫12；所述尾气净化单元包括沸石5、滤网9以及用于将滤网固定于反应腔体4内的固定卡扣10。所述外置可拆卸的加热单元包括加热带3及其配套的外接温度控制器13和保温隔热层2，其中，加热带3单层缠绕在氨裂解催化单元对应的不锈钢外壳外表面，通过配套的外接温度控制器13进行加热和控温，保温隔热层2包裹在不锈钢外壳和加热带3外层。需要说明的是，在不锈钢外壳结构中，不锈钢锥形盖i15、不锈钢锥形盖ii8与反应腔体4并非为一个整体，但三者为相同材质且通过螺纹紧固件14连接；不锈钢锥形盖ii8打开后可用于更换尾气净化单元中的沸石5；不锈钢锥形盖i15打开后可用于更换氨裂解催化单元中的独立催化模块蜂窝状陶瓷柱11。没有特殊说明载气始终保持通入。在加热模块中，加热带3仅单层缠绕于氨裂解催化单元对应的反应腔体区域，而尾气净化单元所对应的反应腔体区域没有缠绕加热带。
16.本实施例所描述的一种搭载尾气净化功能的模块化氨裂解催化反应器，其工作过程具体如下：i催化剂填充：选取与反应腔体4体积相匹配数目本专利中为四个的蜂窝状陶瓷柱11来组成氨裂解催化单元，在装填入反应腔体之前采用喷涂或沉积法将选取的氨裂解催化剂负载于蜂窝状陶瓷柱11上；蜂窝状陶瓷柱11通过衬垫12固定于反应腔体4内，反应腔体4与不锈钢锥形盖i15通过螺纹紧固件14完成密封连接并卡牢；打开不锈钢锥形盖i15后通过更换蜂窝状陶瓷柱11即可实现对氨裂解催化剂的快捷更换。ii沸石填充：选取与反应腔体4体积相匹配含量的沸石5来组成尾气净化单元，在装填入反应腔体之前通过固定卡扣10将滤网9固定于反应腔体4，再填充一层沸石5；依此类推逐层固定滤网9并填充沸石5；反应腔体4与不锈钢锥形盖ii8通过螺纹紧固件14完成密封连接并卡牢，更换沸石和调整沸石含量均可通过打开不锈钢锥形盖ii8来完成。iii反应器加热：反应器加热前先从第二进气口16持续通入惰性气体比如：高纯氩气来去除反应腔体内的空气；通过外接温度控制器13设定加热带3温度，催化裂解的反应通常在350℃-600℃之间，观测加热带对应的温度达到设定值后，保持加热带3温度不变。iv氨裂解反应：关闭氩气进气阀，设定氨气进气流量，依次打开氨气瓶的主阀和减压阀，氨气流入反应腔体4，随着氨气流入反应腔体4和催化模块
的蜂窝状陶瓷柱11负载的氨裂解催化剂接触，腔体内持续发生氨裂解反应，氨气经过氨裂解催化单元的反应后转化为氮气、氢气以及未反应完全的氨气混合气，该产物气体从氨裂解催化单元通过滤网9进入尾气净化单元；在尾气净化单元发生沸石5对残余氨气的吸收，经过数层沸石和滤网后产物气体到达不锈钢锥形盖ii8处。v产物气体检测：通过不锈钢锥形盖ii8顶端的第二出气口7对经过尾气净化单元处理后的产物气体进行取样检测，若检测结果中仍有氨气残余，则需要调整氨裂解催化单元中的催化剂或尾气净化单元中的沸石含量，直至产物气体经检测后不再含有残余氨气。vi产物气体收集：经过取样检测后无氨气残余的产物气体通过不锈钢锥形盖ii8顶端的第一出气口6排出并进行收集，作为氢源后续应用于氢燃料电池或其他用氢场所。
17.以上结合附图对本发明及其实施方式进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施实例，附图中所示的仅是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。如果有关技术领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，不经创造性，设计出与该技术方案相似的结构和实例，均应属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种搭载尾气净化功能的模块化氨裂解催化反应器，其特征在于，包括：氨裂解催化单元、尾气净化单元、不锈钢外壳和外置可拆卸的加热单元以及进出气通道；所述不锈钢外壳由不锈钢反应腔体，以及与反应腔体两端紧密连接的不锈钢锥形盖组成，其中位于两端的锥形盖分别与进出气通道相连。2.根据权利要求1所述的一种搭载尾气净化功能的模块化氨裂解催化反应器，其特征在于：所述氨裂解催化单元包括内置于反应腔体的若干个独立的催化模块及其对应的固定衬垫；每个催化模块是由负载氨分解催化剂的蜂窝状陶瓷柱构成，其中氨裂解催化剂是通过喷涂或沉积等方法负载于蜂窝状陶瓷柱上，所述催化剂为镍基氨裂解催化剂、钌基氨裂解催化剂或镍钌双金属基裂解催化剂；所述催化模块其特征在于将传统的催化剂负载材料由粉体更换为具有特定规格的固定尺寸的蜂窝状陶瓷柱，通过增减陶瓷柱数量来实现催化模块中催化剂含量的调节；所述催化模块通过对应的固定衬垫固定于反应腔体内，并可以通过打开反应腔体两端紧密结合的不锈钢锥形盖来进行更换。3.根据权利要求1所述的一种搭载尾气净化功能的模块化氨裂解催化反应器，其特征在于：所述尾气净化单元同样内置于反应腔体，位于氨裂解催化单元下方，包括滤网和用于去除产物气体中残余氨气的沸石，其中沸石填充于滤网之间；所述滤网通过卡扣固定于反应腔体内部，滤网孔径小于沸石直径；经尾气净化单元处理后的产物气体通过与不锈钢锥形盖相连的出气通道流出。4.根据权利要求1所述的一种搭载尾气净化功能的模块化氨裂解催化反应器，其特征在于：所述外置可拆卸的加热单元包括加热带及其配套的外接温度控制器和保温隔热层，其中，加热带单层缠绕在氨裂解催化单元对应的不锈钢外壳外表面，通过配套的外接温度控制器进行加热和控温，保温隔热层包裹在不锈钢外壳和加热带外层。5.根据权利要求1所述的一种搭载尾气净化功能的模块化氨裂解催化反应器，其特征在于：所述进出气通道均采用耐腐蚀和耐高温的316不锈钢制备，其中进气通道包括第一进气口和第二进气口，出气通道包括第一出气口和第二出气口；进一步地，第一进气口和氨气进气管路连接，用于向氨裂解催化反应器提供氨反应气体；第二进气口与氩气进气管路连接，用于在通入氨气反应前去除反应腔体内部的空气；第一出气口为产物气体出气口，第二出气口为预留的产物气体采样口，用于产物气体的分析测试。

技术总结
本发明属于氨裂解制氢领域，具体涉及一种搭载尾气净化功能的模块化氨裂解催化反应器。该装置包括：氨裂解催化单元、尾气净化单元、不锈钢外壳和外置可拆卸的加热单元以及进出气通道；其中，氨裂解催化单元采用加热带实现对氨裂解反应的供能；通过催化模块来催化氨裂解制氢，实现更方便的催化剂添加、更换；尾气净化单元可以去除氨裂解产物气体中的残余氨气从而消除残余氨气对后续燃料电池催化的影响。本发明在实现氨裂解制氢的同时，将氨裂解催化单元和尾气净化单元集成在一个小型反应器中，可以有效地解决目前氨裂解装置结构较复杂且占用空间大的问题，为氨裂解反应器的模块化设计及其产业化应用提供一种新的思路。及其产业化应用提供一种新的思路。及其产业化应用提供一种新的思路。


技术研发人员：陈达 杜宇辉 梁俊辉 钮峰 柳鸿铭 黄岳祥
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/10/20